JPH04503576A - ファブリー・ペロー変調器 - Google Patents
ファブリー・ペロー変調器Info
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- JPH04503576A JPH04503576A JP2-503635A JP50363590A JPH04503576A JP H04503576 A JPH04503576 A JP H04503576A JP 50363590 A JP50363590 A JP 50363590A JP H04503576 A JPH04503576 A JP H04503576A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
ファプリー・ベロー変調器
本発明は、ファプリー・ベロー変調器、特にそれに限定されることはないが、多
量子ウェル変調器を用いるファプリー・ベロー変調器に関する。
GaAs−AlGaAs多量子ウェル(MQW)構造の光学特性に対する電界の
効果の最初の観察から、多くの光電子装置が論証され、それらは高められた電気
吸収特性を利用し、2安定性および非2安定性の両方の例えば高速強度変調器お
よびハイブリッド光学論理素子等がある。これらの装置はpinダイオードの真
性領域としてエピタキシアル的に成長したMQW層を使用し、電気吸収変調器お
よび効率的な光検出器として同時に動作可能である。
はぼ2:1のコントラスト比(オン:オフ)は通常約1オングストロームの厚さ
のウェルおよびバリヤから構成されるわずか約1μmのMQW吸収装置を有する
装置について観察された。この装置の寸法を仮定すると、これは非常に有効であ
るが、より良好なコントラスト比が望ましい。「コントラスト比」は装置は供給
されたバイアスによってオンまたはオフに切換えるか否かに関係なく、高:低出
力状態の比を意味する。「変調」は状態の絶対的変化であり、用語「反射」およ
び「透過」は0と1の間のみを意味する。
初めに、より良好な変調形態を得るためにMQW層の厚さを増加させることは単
に明らかであるように思える。しかし100m3に近似する下限を有したこの層
の背景ドーピングレベルにより複雑であり、ルーチン的にこの値の2倍或いは3
倍である。これはOバイアスでさえMQW材料の吸収エツジを広げるpin装置
の真性領域を横切る電界においてかなりの減少を生じさせ、さらに外部バイアス
が変調のために装置に供給されるとき、各ウェルにおいて励起子吸収の異なるレ
ッドシフトを生成する。バイアスが増加すると、吸収エツジの広がりは供給され
た電界のエツジシフトのほぼ放物線の依存性によりさらに悪くなる。故に、透過
或いは反射された光線の強度の大きい変化を生成するのではなく、吸収層の厚さ
の増加はより幅の広いスペクトル領域内の吸収変化を分布するように作用し、動
作波長における変調を相対的変化させないように維持する。
適切な計算は、もし残留ドーピングが2×1015/cm3であるならば、全厚
さに対して約1μmの制限を拘束する100オングストロームのA I、3Ga
、7Asのバリヤによって分離された100オングストロームのGaAsの約4
5個のウェルを使用することが最良である。
MQWの厚さを増加させるに伴う第2の問題は、吸収の所定の変化を誘起するの
に必要とする付加的なバイアス電圧である。これはまた例えば60オングストロ
ームの狭い量子ウェルを使用する主な欠点であり、その場合、吸収の変化は吸収
エツジにおける増加した0バイアス励起子発振器強度、および電界により励起し
た広がりに対する励起子の大きい抵抗によりさらに大きくすることが可能である
が、供給された電界を有する吸収エツジのシフトはさらに減少される。MQW装
置は高い帯域幅の光相互接続を形成するためにSLベースのLSI電子装置によ
って2次元アレイに集積されることが提案された。この場合、そのような変調器
または論理ゲートの駆動電圧は数ボルトまでに制限される。
変調を改良する1方法は、装置はその吸収装置の厚さの制限を有し、駆動電圧は
MQWpinダイオードをファプリー・ベロー赤エタロンに結合することによっ
て実効的光路長を増加することである。
低反射率の正面および高反射率の背面を有する反射変調器として動作する非対称
ファプリー・ベロー変調器が提案された(1989年2月、WhN!head
M、、 Parr7 G、およびWhutle7P6氏による”Inyesti
g++目on of ejmlon eff!cts in GaAs−AlG
aAs multiple quantum well modulators
″、 IEE PROCEEDINGS、 Mo1.136. PCJ、 No
t、 52乃至28頁参照)。
そのような装置のモデルは約80%の反射率の最大変化を示した。しかしながら
、大きい絶対変化だけではなく大きい変調深度またはコントラスト比、すなわち
最大および最小反射率の比を有することは望ましい。本発明の目的は、改良され
たコントラスト比を有する非対称ファプリー・ベロー変調器を提供することであ
る。したがって、異なる反射率の正面および背面反射面により限定された共振空
洞を具備し、電気吸収手段を含み、吸収は空洞の反射率が空洞の共振周波数にお
いて実質上ゼロであるような値に対して電気バイアス信号の供給によって増加さ
れることが可能であるファプリー・ベロー変調器が提供される。
前述の高精度反射変調器とは異なり、本発明は空洞の非対称特性により0バイア
スで高い反射状態を維持する哄振波長で動作するので、非共振装置と比較して改
良された挿入損失を与える。高いコントラストの変調は本発明にしたがい空洞中
の電気吸収手段を実質上Oの反射率の臨界値にバイアス同調することによって達
成される。
電気吸収手段は多量子ウェル(MQW)構造が好ましく、特にGaAs−AlG
aAs MQW構造が好ましい。
空洞長は反射共振がバイアスされないMQW吸収エツジの数ナノメータの長波長
側に生じるように選択される。その場合、吸収係数αは初めは低く、共振反射は
高い。MQWの電気吸収特性は空洞を同調するために使用されることが可能であ
るので、空洞の反射、すなわち空洞の正面に入射した光信号に与えられた反射率
はMQWへの適切なバイアス信号の供給の際に0に近似するように変化する。
正面の反射率は理想的な表面の反射率からの変位およびMQWの吸収係数の温度
効果に対する不感度率に関して高精度MQWファプリー・ベロー変調器で十分な
利点を得るために約45%未満であることが好ましい。正面は通常MQW変調器
の非処理表面である。
本発明の実施例は単なる例示であり添付図面を参照にして以下説明される。
第1図は、本発明によるモデル的なファプリー・ベロー変調器の概略図である。
第2図は、第1図の実施例の計算されたバイアスされた反射率およびバイアスさ
れない反射率のグラフである。
第3図は、第1図の実施例の入力波長と対照的に計算された変化のグラフである
。
第4図は、第1図の例示的な実施例に対応する装置の実際のバイアスされた反射
率およびバイアスされない反射率のグラフである。
第5図は、第1図の模範的な構造を使用する第4図の装置の計算されたバイアス
された反射率およびバイアスされない反射率のグラフである。
第6図は、本発明のさらに3つのシミュレートされた実施例のグラフである。
第1図を参照にすると、自然半導体表面よって形成された反射率Rの反射正面6
および反射率R6の反射背面8によって限定された共振空洞4を具備するファプ
リー・ベロー変調器2が示されている。空洞4はAlGaAsのP+領域10と
、100オングストロームのGaAsウェルおよび100オンした単一の12段
多層後方反射装置積層体14から形成され、反射率R=01およびR,=0.9
5を有する多量子ウェルpinダイオードから構成されている。段数を少なくす
ると、後方反射率が低くなり、段数が増加すると反射率は増加するが、反射率R
1の実際値はまた相対屈折率によって積層の構成成分によって決定される。MQ
W装置の吸収係数は既知の方法でバイアス電圧の供給と共に変化されることがで
きる。第1図の共振MQWエタロン変調器は簡単な方法で形成され、電界により
励起した吸収においてさらに増加が生じ、良好な重点およびMQW層の屈折率が
変化し、空洞を形成する多層の細部を詳しく検討するのではなく、基本共振空洞
の特性と組合わせる方法によって形成される。例えば、誘電体積層ミラーのスペ
クトル反射率特性をシミュレートするのに必要な多重マトリックス式計算を避け
ている。主な近似値は以下のように形成される:
(a)スペクトル分散および0バイアスの空洞屈折率の空間的な変化は無視され
る。「空間的な変化」とは空洞を形成することができるGaAsおよびA I
GaAsの異なる層の屈折率を意味する。3.37の加重された平均屈折率n
は典型的なMQWpin構造の実効的なAlGaAsの内容および発表されたこ
の材料の実験的な屈折率データに基づいて85Qnmにおける空洞に対して計算
され、これは終始一定に保持された。これに対する理由は、装置動作について考
慮する小さい波長帯域において、屈折率のスペクトル変化は非常に小さいので変
調特性に大きい影響がないためである。さらに、計算された平均屈折率はおおよ
そ動作波長におけるGaAsの屈折率とAlGaAsの屈折率の間に位置するか
ぎり、所定の精度の空洞により達成できる変調の大きさに全く影響はない。供給
された電界によって生じた屈折率の変化の影響はより重要である。
(b)空洞ミラーは「硬質」反射器であると仮定される、すなわち実用的な装置
に使用されるミラーの有限の厚さは無視され、全反射が空洞材料とミラーとの間
の境界面で生じると仮定する。これらは(高精度が必要とされるとき)異なる屈
折率の誘電体の1/4波長の多重倍のプラズマ付着(誘電体の場合において)か
ら構成することが好ましく、pin構造のpおよびn領域として蒸着或いはエピ
タキシアル的に集積されることができる。正面および背面の反射率が達成される
方法の具体的な詳細は適切な装置変調特性の計算にとって臨界的ではない。
(c)線形電気−光学(L E O)効果は含まれず、ここで検討された領域外
での長い波長でのみ電気屈折効果に匹敵することが予測される。変調へのLEO
貢献の偏光依存性は最近高精度装置によって観察された。
第1図の装置の空洞長はLであり、約2,6μmの値で設定され、関係する波長
領域内にF−P共振を位置させ、また典型的なエピタキシアル的な構造の厚さで
維持されている。MQW活性層は厚さdからなり、0,96μmの一定値に保持
され、前述のように電界により励起した広がりを検討する。これは電気吸収を決
定するために使用された装置中のMQWの厚さである、したがって、それは電気
屈折スペクトルである。半波長の20倍または任意の整数倍の空洞長の使用は上
記式によって説明されたようなシミュレーションを補正する。なぜなら所望の波
長においいてF−P共振を位置させるからである。
第1図の構造が全部の多層のマトリックス計算方法を使用することによって形成
されるとき、高精度の装置(単純なAlGaAs層の代りに上面に別の多重積層
を有する)の場合、空洞の厚さく長さ)LはMQWの厚さによってのみ限定され
る、すなわちMQW/MLS境界面はミラー反射点を限定する。この場合、空洞
の厚さLは実際172波長(動作波長)の整数倍である。しかしながら、非対称
構造を形成するとき、空洞は恐ら< MQW+A I G a A s上部層の
全厚さによって限定され、この場合、必要な波長にF、P、共振を位置するため
に、厚さLは1/4波長の奇数倍でなければならない。
非対称により、空洞は高精度の場合と微妙に異なるが、上記観察は多層シミュレ
ーションプログラムへのアクセスによって他の研究者によって確認された。平均
屈折率n および線形吸収α(MQW領域内のみ)を有する第1図のような空洞
に対して、垂直の入射における平面波近似値において、透過Tおよび反射Rは次
の式によって与えられる:T ” A R= (B + F 5in2(s)(
1+ F 5in2φ) (1+ F 5in2φ)Ra ” (RfRb)e
−αdφ:21rnmL/λ空洞高精度 □ (y/2) Fl/”100オン
グストロームのAI Ga Asバリヤと共0.4 0.6
に100オングストロームのGaAs量子ウェルを含むMQWpinダイオード
の室温充電流測定から、波長範囲750乃至920nm内の一電気吸収スベクト
ルが予め決定されている。このデータのクレーマφケーニッヒ(Kramers
4r’o’nig)積分を実行することによって、電気屈折に対応するスペクト
ルを得る。波長範囲780乃至900nm外側の吸収の極小変化によって、クレ
ー7・ケーニッヒ積分の制限としてこれらを設定する。これらのスペクトルは実
際に電界により励起した「禁制」転移からの可能な影響を考慮する。それはn=
2の側帯エツジより低いエネルギでMQW吸収エツジより上で生じ、供給された
高い電界における吸収スペクトルを優勢に始める。
空洞長は反射共振がバイアスされないMQW吸収エツジの長い波長側面に対して
数nm生じるように選択され、その場合αは初めは低いならば、共振反射は高く
(α−0のとき近似的に最大値0.83)維持しなければならない。MQWの
電気吸収特性は空洞を同調するために使用されることが可能であるので、Rは0
にできるだけ近付く。これは以下示される条件を要求する:
a d −0,51n (Rb / Rt ) (1)ここで、選択された反射
率に対して、αdは近似的に0.58である。これは1([)オングストローム
のウェルおよびバリヤの1μmより少く、MQWにおいて容易に達成できる。
第2図は、第1図の装置に対する12Vのバイアスされた(オフ)反射率スペク
トルおよびOVのバイアスされない(オン)反射率スペクトルを示す。バイアス
されないスペクール励起子吸収はそれぞれほぼ844nmおよびほぼ851nm
において最小限として考えられることができる。空洞共振はほぼ862nmにお
いては不明瞭であり、領域内の波長が増加すると吸収の急速な減少によって強く
歪む。適切な動作波長は挿入損失(この場合3dB)の所定の上限に対して最大
コントラストを与えるために計算方式によって自動的に選択される。適切な波長
を発見した後は、空洞長はその波長に空洞共振を位置させるように設定される。
別々の多層反射率計算は、組合わされたAlGaAsおよびMQWの厚さが上記
詳細に説明されたような必要な地点に共振を位置するためにλ/4の奇数倍でな
ければならないことを示した。MQWの厚さdは1.20μmの値で任意に設定
され、60階の100オングストロームのGaAs+100オングストロームの
AI、3Gao、 7A Sを示す。862.8nmの波長において、バイアス
されない反射率は0.552でありバイアスされた反射率は[1,00242に
減少される。227 : lのコントラストおよび2.6dBの挿入損失である
。
第3図は、コントラストが2.560μmの固定した空洞長に対して入力波長と
共に変化する形態を示す。変調スペクトルは2nmのFWHMを有する。これは
非常に高いコントラストを達成することは実際にはより難しい高精度対称空洞に
対してほぼQ、5nm未満で有利に比較される。これはバイアスされない反射率
ゼロ法を行うために、MQW吸収エツジから離れて動作する、或いはバイアスさ
れない空洞吸収を考慮して正確に整合されなければ、ミラー反射率は共に高く且
つほぼ著しくしなければならない。
装置に関して、バイアスを変化させることは可能である、すなわち吸収エツジに
近い波長範囲内の最小値により反射率を同調することは可能であることがここで
説明された。したがって、成長または設計の不正確性による反射共振の位置にお
けるエラーはある程度補償されることが可能である。バイアス電圧の最適化によ
り少なくとも20:1のコントラストが最長波長における1、3dBに減少する
挿入損失によって855乃至865nmの範囲内で達成されることができること
を計算の範囲が示している。
MQWのpin構造内の後方反射積層のエピタキシアル的な集積は第1図の非対
称ファプリー・ペロー変調器(AFPM)を製造する最適な方法である。装置の
基本動作特性を示すために、初めに正面において自然半導体:空気反射率を残す
ように、高反射金被覆を背面に適用することによって現在あるMQWのpin透
過変調器を変更した。これは上述の仕様に近似する薄い非対称空洞(く3μm)
を与える。MQW構造はMOVPEによって成長され、60オングストロームの
AI Ga Asバリヤを有する50X90オンゲストローOj O,7
ムのGaAsf1子ウェルを含む。完全な構造は最適にされないが、達成された
反射率変調はIV当りのコントラストに関して結果的に従来得られたものに対し
て著しく改善された。
第4図は、7,6vの適切なバイアスに対するオン:オフスペクトルを示す。8
61nmにおいて、コントラストは6dB(4:l )であり、挿入損失はほぼ
2.4dBである。9dBに及ぶ所定のコントラストを与える80乃至100の
量子ウェルを含む共振反射変調器はAFPMのバイアスの2倍以上のバイアスを
必要とする。
実験の結果と試験構造の形成された特性との非常に良好な一致が第5図に示され
ている。達成されたコントラストはMQW吸収エツジかられずかに離れるF−P
共振と結合されるように、上記式(1)を満足する空洞中のMQW材料が不十分
であるために制限される。共振波長における挿入損失は恐らく過少評価される吸
収後部によって計算された損失よりも高い。
M、 Whil!head A、 RiversSG、 Parrl 1. S
、 Rober4s 、C,Button氏による論文(Electronic
s Le目ers Vol 25 No、 15.1989年7月20日、 ”
Low Voyage Multiple Qugnjum Well RCf
lecjion Modulator with on:off rajio
> 100ニド)では、高いコントラストの論証が報告されている。本発明によ
る低電圧多量子ウェル反射変調器は、活性MQW層と、後方ミラーとしての半導
体の1/4波長反射装置積層体とを有するエピタキシアル的に積分された非対称
ファプリー・ベロー変調器を具備し、前方ミラーは半導体/空気境界によって簡
単に限定される。これは約3.5dBの挿入損失およびわずか9Vのバイアスに
より垂直入射において100;1より多いコントラスト率を達成する。40%以
上の反射率変化は7nmの光学帯域幅内で得られる。
特定の構造および製造方法の詳細および実験は上記項目に含まれ、その全内容は
ここでは参照として示されている。
MQW変調器は大規模電子プロセッサ間の光相互接続のための魅力的な境界装置
であることが示唆された。たった5Vバイアスで動作するAFPMに対する予想
を決定するためのシミュレーションを実行した。これは現在のCMO3に匹敵す
る。計算は実験と良好に一致している標準構造を使用して9−10Vのバイアス
で20dBより多いコントラストを示す。
バイアスを5vまで減少することは適切な装置に対して約15dBのコントラス
トを許容するべきである。その場合共振波長はMQW吸収エツジにより接近する
ように移動される。さらに3dBの挿入損失の上限において約3,3vに過ぎな
いバイアスで10dBのコントラストを得ることが可能である。
全計算および実験による結果は100オングストロームのGaAsウェルおよび
60オングストロームのA I GaAsバリヤを有するMQW構造を含む装置
によるものであることに注意すべきである。AlGaAsバリヤは光学的に不活
性であり(ウェル吸収のみ)、装置のバイアス電圧を減少するためにその厚さを
さらに約40オングストロームまで減少することも技術的範囲にある。
5Vに固定されたバイアス電圧によって、MQW領域を横切る電界は厚さが増加
すると共に減少する。0.5μmのMQWに対して、電界は吸収エツジのかなり
のシフトを誘起させるように十分に高いので、コントラストは範囲内で完全に均
一に維持される。もっと厚いMQW領域に対しては、吸収エツジに接近する波長
におけるコントラストが改良されるだけであり、その場合減少しいた電界はなお
効果がある。コントラストの減少はMQWの厚さが増加する(電界が減少する)
と共により急速になる。損失は動作波長およびMQWの厚さの両方に対してかな
り不感であることにさらに注意しなければならない。
他の電気吸収材料はMQWの代りに例えばバルクGaAsまたはInPに代用で
きる。しかしながら、必要に応じて厚い活性層に対して増加したバイアス電圧を
必要とする。本発明によるファプリー・ペロー形態はまた波長選択性で高い量子
効率光検出器として潜在的に利用される。AFPMに対して、反射されない共振
波長におけるバイアスは吸収され、この場合R1は1に近くされ(0,95より
大)、TとRの合計はたりた約lθ%であり、最適化によってより少ない(一般
に、反射されない高精度構造は透過され或いはその反対である)。
実験はこれを確認している。〜865nmにおいて、バイアスにより、光電流は
第4図の装置に対して約10倍増加する。
波長 (nml
波長 (nml
波長 (nm)
ζ座長 (nml
異なるMQW厚さの5Vの固定バイアスで国際調査報告
Claims (12)
- 1.異なる反射率の反射正面および背面によって限定された共振空洞を具備し、 電気吸収手段を含み、その吸収は空洞の反射率が空洞の共振周波数において実質 上ゼロまで低下するような値までのバイアス信号の供給によって増加されること ができるファプリー・ペロー変調器。
- 2.多量子ウエル構造を具備している請求項1記載の変調器。
- 3.GaAs−AlGaAs多量子ウエル構造を具備している請求項2記載の変 調器。
- 4.複数の100オングストロームのGaAsウエル、および100オングスト ロームのAl0.3Ga0.7Asバリヤ真性領域を具備している請求項3記載 の変調器。
- 5.複数の90オングストロームのGaAsウエルおよび60オングストローム のAl0.3Ga0.7Asバリヤ真性領域を具備している請求項3記載の変調 器。
- 6.多量子ウエル構造は60オングストローム以下の厚さのバリヤ真性領域を有 している請求項2乃至5のいずれか1項記載の変調器。
- 7.多量子ウエル構造は40オングストローム以下の厚さのバリヤ真性領域を有 している請求項2乃至5のいずれか1項記載の変調器。
- 8.多量子ウエル構造は0.5μm以上の厚さである請求項2乃至7のいずれか 1項記載の変調器。
- 9.GaAs n+基体上にエピタキシアル的に成長した多層後方反射装置積層 体を含む請求項1乃至8のいずれか1項記載の変調器。
- 10.反射正面は多量子ウエル構造の表面を備えている請求項2乃至9のいずれ か1項記載の変調器。
- 11.多量子ウエル構造はpinダイオードの一部分である請求項2乃至10の いずれか1項記載の変調器。
- 12.正面の反射率は45%未満である請求項1乃至11のいずれか1項記載の 変調器。
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Yan et al. | Surface-normal electroabsorption reflection modulators using asymmetric Fabry-Perot structures | |
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Whitehead et al. | Multiple Quantum-Well Asymmetric Fabry-Perot Etalons for High-Contrast, Low-Insertion-Loss Optical Modulation | |
Lord et al. | Electroabsorption modulators operating at 1.3 μm on GaAs substrates | |
Cartland et al. | High Contrast, 2D Spatial Light Modulators (SLMs) Using InGaAs/AlGaAs Quantum Wells Operating at 980nm | |
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Guy et al. | Modelling of InGaAs-InP electro-absorptive Fabry-Perot modulators | |
Wakita | Surface Normal Switch |